Hidraulică

Cursul de Hidraulică subterană şi hidrotehnică are ca scop studiul legilor de echilibru şi de mişcare ale fluidelor, din natură sau din construcţiile hidrotehnice concepute şi realizate de către om.

Etimologie: „hidraulică”- cuvintele greceşti, hiidor (apă) şi aulos (tub) folosită iniţial în Grecia Antică pentru orga de apă, fiind utilizată ulterior pentru a defini ştiinţa care, la început, a fost legată de folosirea apei de către om pentru alimentare, irigaţii sau transport.

Prin extinderea treptată a preocupărilor hidraulicii la studiul tuturor fluidelor s - a justificat necesitatea folosirii denumirii de „mecanica fluidelor”.

Hidraulica are un caracter tehnico – aplicativ pronuntat, reflectat prin utilizarea de metode experimentale şi formule empirice alături de metode teoretice.

Mecanica fluidelor are un pronunţat caracter teoretic.

Filtraţia fluidelor prin medii poroase sau fisurate, cu particularizare la straturile saturate cu apă, petrol sau gaze, face obiectul unei părţi speciale a hidraulicii, numită hidraulica subterană.

Cursul este divizat în două părţi:

- hidraulica subterană;

- hidrotehnica.

Legătura cu alte discipline

Hidraulica, în general, dar şi hidraulica subterană şi hidrotehnica în particular, ca ramură a mecanicii, utilizează informaţii de natură experimentală şi este guvernată de legile conservării masei şi energiei care, exprimate matematic, conduc la ecuaţii diferenţiale a căror soluţionare necesită cunoştinţe de matematică. De asemenea, foloseşte noţiuni din mecanică, fizică, termodinamică, electromagnetism, teoria elasticităţii.

Cunoştinţele de hidraulică, la rândul lor sunt utilizate în cadrul a numeroase discipline cum sunt: aerodinamică, meteorologie, oceanologie, aparate de zbor, nave şi maşini hidraulice, procese tehnologice umede, transfer de masă şi căldură, hidrologie, acţionări hidraulice şi pneumatice, transportul şi distribuţia fluidelor, tehnologia forării sondelor, tehnologia extracţiei hidrocarburilor, proiectarea exploatării zăcămintelor etc.

Scurt istoric

Primele cunoştinţe de hidraulică, mai exact de hidrotehnică, datează din cele mai vechi timpuri, fiind atestate de existenţa unor baraje, diguri de protecţie împotriva inundaţiilor, apeducte, canalizări, băi publice, viaducte, care au fost construite acum 4 – 5 000 de ani în Asia Mică, India, Egipt, China, iar mai târziu în Grecia şi Roma antică.

Aceste realizări, alături de cele din navigaţie, conferă hidraulicii de - a lungul acestei lungi perioade de timp, un caracter predominant experimental.

Prima lucrare ştiinţifică de hidraulică este reprezentată de tratatul lui Arhimede denumit «Corpuri plutitoare» şi datat cu aproximaţie, anul 250 î.Hr.

Următoarea lucrare de referinţă aparţine lui Leonardo da Vinci, fiind intitulată «Despre mişcarea şi măsurarea apei» si cuprinde studii privind mişcarea valurilor, vârtejurile formate la coturi sau în spatele unui obstacol, căderile de apă, mişcarea prin tuburi etc.

Contribuţii importante au mai avut: G. Galilei, E. Torricelli, B. Pascal, I. Newton, L. Euler, D. Bernoulli, A. Chezy, G. Stokes, L. Navier, O. Reynolds, iar mai recent N. Jukovski, L. Prandtl, P. Blasius, J. Nikuradze.

Hidraulica subterană, bazată pe legea liniară a filtraţiei, stabilită de către H. Darcy în 1856, avea ca obiect de studiu până în 1920, în principal, studiul mişcării apei prin medii poroase, după care îşi extinde preocupările şi asupra problemelor asociate exploatării zăcămintelor de petrol şi gaze.

Prima monografie privind mişcarea fluidelor prin medii poroase aparţine lui I. Leibenson în 1924, iar următoarea lui M. Muskat în 1937.

În România, preocupări în domeniul hidraulicii au avut : V. Vâlcovici, G. Constantinescu, autorul teoriei sonicităţii, H. Coandă, inventatorul motorului cu reacţie, C. Iacob, E. Carafoli, D. Dumitrescu, C. Mateescu, T. Oroveanu, V. Harnaj, St. Gheorghiţă, D. Cioc, Al. Soare, I. Creţu.

Primul tratat de hidraulică subterană în România aparţine lui N. Cristea.

CONCEPTE DE BAZĂ UTILIZATE ÎN HIDRAULICA SUBTERNĂ

1.1. Mediu poros şi mediu fisurat

Corpurile solide pot conţine spaţii goale numite goluri,care se clasifică în:

interstiţii moleculare (dimensiuni foarte mici);

pori (dimensiuni moderate);

caverne şi fisuri (dimensiuni relativ mari).

Corpul (mediul) care prezintă pori se numeşte corp poros sau mediu poros, iar cel care prezintă caverne şi fisuri se numeşte mediu fisurat.

Dacă porii şi fisurile sunt intercomunicante mediile se numesc permeabile.

1.2. Rocă colectoare

Mediile poroase şi mediile fisurate permeabile care conţin acumulări de hidrocarburi se numesc roci colectoare.

Rocile colectoare sunt reprezentate de roci sedimentare (rareori metamorfice sau vulcanice).

Rocile sedimentare pot fi:

- roci detritice (clastice)- nisipuri şi gresii;

- roci de precipitaţie chimică (neclastice)- r. carbonatice.

Rocile detritice contin cca. 60% din rezervoarele mondiale de hidrocarburi fluide.

Rocile neclastice conţin circa 40% din rezervele mondiale de hidrocarburi.

Rocile metamorfice sunt cunoscute ca roci colectoare în câteva zăcăminte din California, Mexic şi Venezuela,

Rocile vulcanice sunt cunoscute ca roci colectoare în Cuba şi Mexic.

1.3. Zăcământ de hidrocarburi

O acumulare de petrol, gaze şi apă într-o rocă colectoare mărginită de frontiere impermeabile, reprezentate de strate marnoase, argiloase şi falii etanşe, constituie un zăcământ de hidrocarburi.

1.4. Presiunea iniţială şi temperatura de zăcământ

Fluidele din zăcămintele de hidrocarburi se găsesc sub o anumită presiune numită presiune de zăcământ sau presiune de strat.

Presiunea iniţială de zăcământ este diferită în diferitele puncte ale acestuia, în funcţie de adâncimea la care s-a făcut măsurătoarea. Din acest motiv, presiunile măsurate se reduc, de regulă, la un plan de referinţă. Presiunea iniţială de zăcământ redusă la un plan de referinţă are aceeaşi mărime în orice punct al unui zăcământ în echilibru. Pentru reducerea unei presiuni la un plan de referinţă se utilizează relaţia